电传动车辆用锂离子电池组低温加热方法研究

雷治国，张承宁，雷学国，李军求

（1.福建农林大学机电工程学院，福州350002；2.北京理工大学电动车辆国家工程实验室，北京10081；3.福建万润新能源科技有限公司，福州350100）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．95中图分类号：TM 912.1文献标志码：A

电传动车辆用锂离子电池组低温加热方法研究

雷治国1，张承宁2，雷学国3，李军求2

（1.福建农林大学机电工程学院，福州350002；2.北京理工大学电动车辆国家工程实验室，北京10081；3.福建万润新能源科技有限公司，福州350100）

为提高电动车辆用锂离子动力电池的低温充放电性能，以35 Ah锰酸锂电池为研究对象，研究了低温下电池充放电特性，并采用宽线金属膜加热方法对-40℃下的电池组进行加热和充放电实验。实验结果表明：低温下电池的充放电性能大幅衰减，采用宽线金属膜加热方式能够显著提升电池的低温充放电性能；加热后，电池组可进行大电流充放电，可以满足电动车辆的行驶要求。

锂离子电池；充放电特性；低温性能；电动车辆；加热方法

Project Supported by the National Defense Preresearch Project（104010108）；Natural Science Foundation of Fujian Province Project（2014J01173）；Department Education of Fujian Province Project（JA12100）.

引言

近年来电动车辆发展迅猛，由于电动车辆所特有的一些优点，各国针对电动车辆各个方面开展深入研究工作，并取得了丰硕的成果。动力电池作为电动车辆的关键部件，在技术上也得到了快速发展。电动车辆的性能和成本受动力电池的性能和寿命影响较为显著。

铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和超级电容是目前电动车辆上较为常见的动力电池［1］，其中，锂离子动力电池因寿命长、自放电率低、比功率高、能量密度大和无污染等优点，逐渐替代铅酸电池、镍氢电池和镍镉电池，成为电动车辆主要使用的动力电池［2，3］。虽然锂离子电池具有较为显著的优点，但是锂离子电池的低温性能仍是一个不容忽视的问题，目前已引起广泛关注。低温环境中，锂离子动力电池的充放电性能下降显著，锂离子动力电池的相关制造企业和科研人员已对锂离子动力电池的低温充放电性能展开大量研究工作。研究结果表明：锂离子动力电池的低温性能是由于锂离子在电极中的扩散、表面电荷传递阻抗和SEI膜等因素造成［4-7］，但未确定影响低温性能的主要因素。

按照目前动力电池的制造现状，从材料本身改善锂离子电池低温性能难度较大，因此采用辅助手段提高电池的低温性能成为较为可行的研究方向。同时，交流电加热法［8-10］、帕尔贴加热法［11-13］、流体加热法［14］和加热板加热法［15］等算法已被提出。由于电动车辆逐步广泛使用，一些电动车辆经常需要在寒区工作，特别是一些军用车辆，要求在-40℃情况下能够正常工作，然而，低温环境中，动力电池的充放电性能衰减显著［16-18］，如果动力电池的低温性能无法得到提高，电动车辆将无法在寒区正常工作。

本文针对8×8轮式电动车辆用方形35 Ah、3.7 V锰酸锂动力电池20℃～-40℃低温下充放电性能进行了研究，根据此电动车辆行驶工况的特殊性采用宽线金属膜对动力电池组进行加热，通过实验证明此加热方法能够显著提高电池组低温性能［19-22］。

1　锂离子动力电池测试平台

锂离子动力电池测试平台结构如图1所示。锂离子动力电池的充放电设备分别为广州擎天实业有限公司开发的HT-V5C200D200-4和德国Digatron公司针对电动车辆电池组测试而开发的EVT500-500。HT-V5C200D200-4是针对电池单体测试开发的电池充放电设备，最高电压为5 V，测试精度可达0.1 mV；Digatron的EVT500-500用于电池组的测试，其最大充放电电流可达500 A，最高电压为500 V。温箱的作用是模拟不同的环境温度，测试过程中，动力电池将被放置在温箱中。电化学工作站是德国Zahner公司生产，其作用是测量锂离子动力电池在固定频率下的阻抗值和不同频率的交流阻抗，电化学工作站测量的交流振幅为1 mV～1 V，频率范围是10×10-6～4 MHz，频率精度为＜0.002 5%。在充放电过程中，电池表面和极耳的温度变化通过温度传感器测量。测试中所使用的锂离子动力电池为软包（30 cm×16.8 cm×1.5 cm）35 Ah能量功率兼顾型锰酸锂电池，电池的电解液为LiPF6锂盐溶液、负极材料为人造石墨、正极材料为尖晶石结构的LiMn2O4材料、外壳为铝塑膜。

图1　动力电池测试平台Fig.1 Test platform of power battery

2　动力电池低温放电性能

图2　不同温度下10 A恒流放电曲线Fig.2 Discharge curves of constant-current 10 A at various temperatures

为研究动力电池的低温放电性能，将电池静置在设定的低温环境中进行恒流放电。首先，动力电池在常温下以1/3C倍率进行恒流-恒压充电，充满后静置在温箱中，静置5 h后以某一倍率进行恒流放电，截止电压3 V，静置5 h的依据可参考文献［20］。在0℃～-40℃范围内，以10 A、35 A进行恒流放电，放电曲线如图2、图3所示。从图中可以看出，随着温度的降低，电池的放电电压和放电容量都在明显下降。

图3　不同温度下35 A恒流放电曲线Fig.3 Discharge curves of constant-current 35 A at various temperatures

3　动力电池低温充电性能

图4　不同温度下10 A恒流恒压充电曲线Fig.4 Charge curves of constant-current constant-voltage 10 A at various temperatures

为研究动力电池的低温充电性能。将电池放置在设定的环境温度中进行恒流-恒压充电。首先，动力电池在常温下以1/3C倍率进行恒流放电，截止电压3 V，放电结束后将动力电池静置在温箱中，静置5 h后以某一倍率进行恒流-恒压充电。10 A、 35 A恒流-恒压充电曲线如图4、图5所示。从图中可以看出，0℃以下，动力电池基本无法进行正常充电，随着温度降低，在充电电流相同时，恒流充电阶段，充电电压大幅提升，特别是大电流充电时，在0℃以下，已没有恒流充电过程，充电电流加载时，电池端电压瞬间升高至截止电压，直接进入恒压充电过程。

图5　不同温度下35 A恒流恒压充电曲线Fig.5 Charge curves of constant-current constant-voltage 35 A at various temperatures

4　宽线金属膜加热法

通过动力电池的低温实验研究可知：低温环境下，电池内阻大幅增加，充放电性能大幅度下降。在低温环境下运行的电动车辆，其性能将被电池低温性能制约，尤其是对于需要频繁行驶在环境温度变化比较大的特殊电动车辆。本文根据8×8轮式电动车辆行驶工况恶劣以及对可靠性要求高的特点，采用宽线金属膜加热法，对低温环境下的动力电池进行加热。宽线金属膜加装在电池表面积最大的两个侧面上。宽线金属膜采用FR4板材或是铝基板，厚度1 mm，板材两侧面上覆上铜膜，厚度0.03 mm。宽线金属膜的一面为完整矩形平面铜膜；另外一面是由具有一定宽度、连续的铜线组成的铜膜，两铜膜的表面覆上耐磨绝缘层。铜线具有电阻，当电流通过铜线时，铜线会生热，产生的热量通过另一侧的铜膜平面可均匀地传给电池，实现对电池加热的目的。宽线金属膜加热法的装置结构简单，安装方便，可靠性高。由于动力电池组中电池单体是紧密排列在一起，而每片宽线金属膜的厚度只有1～2 mm，将宽线金属膜直接夹在两块电池单体之间即可，不需要对电池箱的结构进行大的改动，可大幅降低加热能耗，因此，宽线金属膜加热法在方形动力电池上可以容易地实现安装和使用。

5　低温加热实验研究

为研究低温环境下采用宽线金属膜加热对电池放电性能恢复的实际效果，现将3块35 Ah锰酸锂电池单体串联组成动力电池组，每块电池单体面积最大的两侧面贴上宽线金属膜，3块电池叠压在一起，如图6所示。为了使加热实验与车辆动力电池组的实际情况相符，将3块安装了宽线金属膜的电池组装入电池箱，如图7所示，电池箱被放置在温箱中，温箱的温度保持在-40℃。由于电池箱具有一定的保温效果，所以静置时间由5 h延长至8 h，静置结束后，将宽线金属膜接通电源对电池组进行加热。

图6　3块串联电池单体Fig.6 Three batteries series

图7　动力电池组电池箱Fig.7 Power batteries box

5.1加热15 min后电池组1C恒流放电性能

采用240 W、120 W和90 W功率加热电池组15 min后，电池组1C恒流放电曲线如图8所示。从图中可以看出，随着加热功率增大，初期和中期放电电压有较大差异，240 W功率加热后电池组放电电压比90 W加热后平均高出0.53 V，最大压差1.38 V。值得注意的是，加热功率的大小对电池放电容量影响较小，90 W功率加热后电池的放电容量为30.547 Ah，240 W功率加热后电池的放电容量为30.997 Ah，只相差0.45 Ah。这说明加热时间相同时，增加加热功率，能够提高电池组的放电电压，增大电池组的放电功率，但是对电池放电容量的提升较小。

图8　不同功率加热15 min电池组1C恒流放电曲线Fig.8 Discharge curves of 1C power batteries constantcurrent with different powers heated for 15 minutes

图9给出了3种不同功率加热15 min后电池组1C恒流放电曲线，同时也给出在低温下电池单体未加热的1C恒流放电曲线。电池组由3块电池单体组成，放电过程中，3块电池单体的放电电压并不完全相同，为了与电池单体进行比较，电池组的放电电压取3块电池电压的平均值。采用90 W功率加热15 min后，在放电初期，电池组的平均放电电压与电池单体在-20℃接近，在放电中、后期，电池组的平均放电电压比电池单体在-20℃高，与-10℃接近，电池组的放电容量与-10℃时基本相等。这说明虽然外部加热停止，电池组放电所产生的热量中，除了一部分与-40℃环境热交换外，还有一部分剩余热量继续对电池进行加热，使电池组的温度从-20℃继续升高。采用120 W功率加热15 min后，在放电初期，电池组的平均放电电压比电池单体在-10℃略低，在放电中、后期，电池组的曲线与电池单体在-10℃的放电曲线逐渐重合，但是并未出现90 W功率加热后的电池组放电电压大幅度超过-20℃电池单体放电电压的情形。这是因为加热后，电池组的温度已接近-10℃，虽然电池组在放电过程中产生大量热量，但是在外部-40℃环境温度作用下，这部分热量只能将电池组的温度维持在-10℃附近，而无法继续提高电池温度，因此整个放电过程与-10℃接近。采用240 W功率加热15 min后，在放电初期，电池组的平均放电电压比电池单体在0℃略高，说明通过加热，电池组的温度已提升至0℃以上，但是在放电中、后期，电池组的平均放电电压比电池单体在0℃时低，最终的放电容量也低于电池单体在0℃的放电容量。其原因也是由于停止加热后，电池组放电所产生的热量不足以使电池温度维持在0℃。

图9　加热前后电池单体1C恒流放电曲线Fig.9 Discharge curves of 1C batteries constant-current heated or not

5.2低温加热后电池组1C恒流充电性能

图10给出了在-40℃环境下，采用240 W加热15 min后电池组1C恒流充电曲线和电池单体未加热在不同温度下1C恒流充电曲线。通过加热，电池组的充电性能大幅提升，电池组的温度提升至0℃～10℃之间，由于电池组充电加热可以利用外部电源进行，因此，主要应考虑加热时间和电池受热均匀性问题。

图10　加热前后电池单体1C恒流充电曲线Fig.10 Discharge curves of batteries 1C constant-current heated or not

5.3低温加热后电池组脉冲充放电性能

通过上述电池组低温加热实验研究可知，加热后电池组的充放电性能均有大幅提升。由于均采用1C恒流对加热后的电池组进行充放电，无法获知电池在极低温度环境下加热后能够达到的最大充放电功率，因此，本节对加热后的电池组进行脉冲充放电池实验研究。

在常温下，电池组以1C/3倍率恒流恒压充满电后，在-40℃的温箱中静置8 h后，采用120 W功率对电池组加热15 min。加热结束后，电池组进行脉冲充放电，从电池组SOC为0.9开始进行脉冲充放电，每隔0.1，SOC进行一次脉冲充放电，直到电池组SOC降为0.1。脉冲充放电过程中，放电电流最低为17.5 A，最大为280 A，充电电流最低为17.5 A，最大为210 A，电池组加热后整个脉冲充放电结果如图11所示。为了更清晰地看到加热后电池组的充放电情况，对电池组SOC为0.9和0.1的脉冲曲线进行放大，如图12和图13所示。从图中可以看出，加热后电池组的放电性能显著提高，在初期，放电电流最大可达210 A，随着脉冲充放电进行，电池组能够以280 A进行放电。相对而言，电池的充电性能稍差，在SOC大于0.5，充电电流最大无法超过50 A，随着容量减小，充电电流逐渐增大，最终充电电流可达到210 A。通过脉冲充放电实验可知，加热后，-40℃环境下的电池组从未加前热得几乎无法进行充放电到可以进行大电流的充放电，其性能显著提升。

图11　-40℃下电池组加热后脉冲充放电曲线Fig.11 Pulse charge-discharge curves of battery package after heated at -40℃

图12　电池组SOC为0.9的脉冲局部放大Fig.12 Pulse charge-discharge curves of battery package when SOC is 0.9

图13　电池组SOC为0.1的脉冲局部放大Fig.13 Pulse charge-discharge curves of battery package when SOC is 0.1

6　结论

（1）针对电动车辆用方形35 Ah、3.7 V锰酸锂动力电池进行低温充放电性能研究，结果表明：随着温度降低，动力电池充放电性能大幅衰减，在-20℃下，电池组已无法正常工作。因此，低温环境中，动力电池组必须采用加热系统进行预加热，提高其低温性能后才能正常使用。

（2）采用宽线金属膜加热法能够大幅提升动力电池的低温性能。加热后，电池的放电容量、放电电压和放电功率均大幅提高。

（3）通过对加热后的电池组进行脉冲充放电实验，结果表明：在-40℃的环境下，通过预加热后的电池组能够进行大电流充放电。

（4）通过低温加热实验可知，低温环境下，只需在初始阶段对电池进行预加热即可，这主要是由于电池在充放电过程自身会产生热量。

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Study on Heating Method of Lithium-ion Battery Used in Electric Vehicle

LEI Zhiguo1，ZHANG Chengning2，LEI Xueguo3，LI Junqiu2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China；2.National Engineering Laboratory for Electric Vehicle，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Fujian Wanrun New Energy Technology Co.，Ltd，Fuzhou 350100，China）

In order to improve the low-temperature performance of lithium-ion battery，the experiments of the charge-discharge characteristics of 35 Ah high-power Lithium-ion battery are conducted under the condition of cold temperature，and the wide-line metal film method for heating battery is presented. At -40℃，heating and charge-discharge experiments have been performed on the battery pack. The results indicate that the charge-discharge performance is dropped substantially in cold climates，and the charge-discharge performance can be significantly improved after heating by the wide-line metal film. Meanwhile，the experiments of the plus charge-discharge of heated battery pack prove that the battery pack can charge or discharge at high current and offer enough power after heating at -40℃.

Lithium-ion battery；charge-discharge characteristics；low-temperature performance；electric vehicles；heating method

雷治国

2015-07-06

国防预研项目（104010108）；福建省自然基金项目（2014J01173）；福建省教育厅资助项目（JA12100）。

雷治国（1978-），男，通信作者，博士，讲师，研究方向：新能源技术、电动汽车动力电池组管理系统等，E-mail∶lzgkkk@163. com。

张承宁（1963-），男，教授，博士生导师，研究方向：电驱动车辆电机驱动系统、能量管理系统、整车综合控制与数字化网络系统、充电系统等，E-mail∶mrzhchn@bit. edu.cn。

雷学国（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：电驱动车辆电机驱动系统、整车控制系统等，E-mail：leixueguo@163.com。

李军求（1976-），男，博士，副教授，研究方向：电驱动车辆电机驱动系统、能量管理系统、整车综合控制与数字化网络系统等，E-mail∶wm1104@126.com。